Dieter Zastrow. Elektronik

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1 Dieter Zastrow Elektronik

2 Dieter Zastrow Elektronik Lehr- und Arbeitsbuch Einführung in Analogtechnik Digitaltechnik Leistungselektronik Mit 426 Abbildungen, 89 Lehrbeispielen und 147 übungen mit ausführlichen Lösungen 4., verbesserte Auflage

3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Zastrow, Dieter: Elektronik: Lehr- und Arbeitsbuch; Einführung in Analogtechnik, Digitaltechnik, Leistungselektronik; mit 89 Lehrbeispielen und 147 übungen mit ausführlichen Lösungen / Dieter Zastrow. - 4., verb. Aufl. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1997 Mewegs Fachbücher der Technik) ISBN ISBN (ebook) DOI / Auflage , durchgesehene Auflage , durchgesehene Auflage , verbesserte Auflage 1997 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, BraunschweigiWiesbaden, 1997 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Klaus Birk, Wiesbaden Gesamtherstellung: Wilhelm + Adam, Heusenstamm Gedruckt auf säurefreiem Papier ISBN

4 v Vorwort Das vorliegende Lehr- und Arbeitsbuch vermittelt in der nun erschienenen 4. verbesserten Auflage die Grundlagen der Elektronik. In einem aufbauenden Lehrgang wird der Lehrstoff - nach grundlegenden AufgabensteIlungen der Elektronik gegliedert - dargestellt. Die Darstellung des Lehrstoffs orientiert sich am Niveau von Technikerschulen. Elektronische Vorkenntnisse sind nicht erforderlich, jedoch sollten solide Kenntnisse der Grundlagen der Elektrotechnik vorhanden sein. Das unterrichtsbegleitende Lehr- und Arbeitsbuch Elektronik sichert ein kontrolliertes, zielgerichtetes Lernen durch einen bereits bewährten Buchaufbau: Jedes Kapitel beginnt mit einer Aufzählung der erforderlichen Vorkenntnisse, gefolgt von einer knappen Stoffdarstellung. Besonderer Wert wird auf die Eigentätigkeit der Lernenden gelegt, denn ca. 40% des Buchumfangs entfallen auf Beispiele und übungen sowie deren ausführliche Lösungen im Anhang. An den Kapitelenden ist ein Memory angeordnet, es enthält das geforderte Grundwissen. Der Lehrstoff stellt eine unterrichtserprobte Einführung in die Analogelektronik, Leistungselektronik und Digitaltechnik dar. Einige einleitende Bemerkungen zum Lehrstoff mögen den Leser die Orientierung im weiten Feld der Elektronik erleichtern helfen: Kapitel 1-4 Die Einführung in die Elektronik beginnt mit einer meßtechnisch orientierten Darstellung der Stromleitervorgänge in Halbleitern sowie der Beschreibung der beiden wesentlichen Halbleiterstrukturen, die man als Sperrschicht und Kanal bezeichnet. Am Beispiel der Halbleiterdiode werden dann die Probleme der nichtlinearen I-U-Kennlinien behandelt und deren Auswirkungen in Begrenzerschaltungen aufgezeigt. Mit dem Entwurf einfacher Konstantspannungs- und Konstantstromquellen schließt die erste Kontaktaufnahme mit der Elektronik ab. Kapitel 5-9 Die Kapitel über Analogelektronik umfassen die wichtigsten Arten der analogen Informationsverarbeitung, wie sie in der analogen Meß- und Regeltechnik zur Anwendung kommen. Im Mittelpunkt.stehen Transistoren und Operationsverstärker als lineare Verstärker und als Schalter. Das wichtige Prinzip der Signalrückkopplung vom Verstärkerausgang auf den Verstärkereingang wird in ausführlicher Weise in Form der Gegenkopplung und Mitkopplung am Beispiel der Operationsverstärker dargestellt.

5 VI Vorwort Kapitel Im Schwerpunkt Leistungselektronik wird gezeigt, wie im Netz angebotene elektrische Energie zuverlässig und wirtschaftlich in die jeweils vom Anwender benötigte Form umgewandelt wird. Die dazu erforderlichen Grundfunktionen der leistungselektronischen Betriebsmittel wie Stellen, Schalten, Gleichrichten und Gleichrichten mit Stellen werden ausführlich behandelt. Ein eigenes Kapitel ist für die Aufgaben und Wirkungsweise der Spannungsregler und Schaltregler aus der Netzteiltechnik vorgesehen. Kapitel Ein besonders wichtiges Teilgebiet der Industrieelektronik umfaßt die Verarbeitung entscheidungsorientierter Probleme. In zwei Kapiteln werden die auf die moderne Steuertechnik zielenden elektronischen Grundlagen wie Verknüpfungs-, Zeit- und Zählfunktionen sowie die Analog-Digital-Umsetzung behandelt. Das einführende Kapitel über Speicherprogrammierbare Steuerrung konnte entfallen, da im gleichen Verlag ein bewährtes Einführungsbuch in die SPS erhältlich ist. Verfasser und Verlag waren bemüht, ein Lehr- und Arbeitsbuch für einen anwendungsorientierten Elektronikunterricht auf mittlerem Niveau vorzulegen und dabei die Verwendbarkeit des Lehrwerks für ein ergänzendes Selbststudium zu sichern. Gerne statte ich den Mitarbeitern des Verlags Vieweg für ihr verständnisvolles Eingehen auf meine Vorstellungen sowie für die sorgfältige Ausführung des Buches und die gute Zusammenarbeit meinen herzlichen Dank ab. Für Anregungen aus dem Leserkreis bin ich jederzeit dankbar. Dieter Zastrow Ellerstadt, Juli 1997

6 VII Arbeitshinweise ZU diesem Buch Wie lernt man einen neuen Lehrstoff? Aktivität Lernen, um etwas verstehen und begreifen zu können, erfordert eine Aktivität der Person. Aktivität ist notwendig, um die Schwierigkeiten, die sogenannten Lern widerstände, zu überwinden. Lerntechnik Der Unterricht ist die erste Hilfestellung beim Lernen. Erfahrungsgemäß kann aber der Lehrstoff bei diesem Lernprozeß nicht so aufgenommen werden, daß sich eine Nacharbeit erübrigt. Dabei hilft Ihnen das Lehrbuch. Einige Regeln haben sich für das Arbeiten mit dem Buch bewährt: Unterstreichen Sie wichtige Begriffe. Erfinden Sie Überschriften für kleinere Textabschnitte. Lesen Sie den Lehrbuchtext eines Abschnitts nach dem Durcharbeiten des Beispiels noch einmal. Spüren Sie scheinbare Unstimmigkeiten zwischen Erklärungen von Unterricht und Lehrbuch auf und entwickeln Sie daraus Fragestellungen. Beginnen Sie mit der Ausarbeitung eines eigenen schriftlichen Konzepts, wobei die Unterrichtsergebnisse als Leitfaden dienen. Versuchen Sie das Wesentliche mit noch weniger Worten darzustellen. Skizzen und Stichworte genügen oftmals, wenn man einen Stoff verstanden hat. Am unglücklichsten lernen Sie, wenn Sie den Lehrstoff gedankenlos auswendiglernen. Am vorteilhaftesten lernen Sie, wenn Sie sich auf den Unterricht vorbereiten. Vorlernen ist besser als Nachlernen.

7 VIII Arbeitshinweise ZU diesem Buch Wie hilft Ihnen dieses Lehr- und Arbeitsbuch beim Lernen? Vorkenntn isse Lehrstoff Beispiele Aufgabentyp Lösungen Memory Die Kapitel beginnen mit einer knappen Aufzählung der erforderlichen Vorkenntnisse, so daß Sie Kenntnislücken durch Nachschlagen gezielt schließen können. Der Lehrstoff ist methodisch aufbereitet und in Form eines Lehrgangs dargestellt. D. h. über die reine Faktenvermittlung hinaus wird Ihnen auch das in der analogen und digitalen Elektronik typische Denken vermittelt, damit sich ein Verständnis für elektronische Zusammenhänge bilden kann. Alle wichtigen Fachbegriffe sind da, wo sie definiert oder sonst erläutert werden, kursiv gedruckt. Da bekannt ist, daß elektronische Vorgänge, die man berechnen und messen kann, besser verstanden werden als jene, die nur in ihrer Wirkungsweise beschrieben werden, wird der Lehrstoff besonders durch Rechenbeispiele und Schaltungsbeispiele mit Oszillogrammen veranschaulicht. Ob Sie einen echten Lernfortschritt gemacht haben, können Sie bei der selbständigen Lösung der vorhandenen Obungsaufgaben feststellen. Dabei bedeuten die Zeichen:... übungen, deren Besonderheit eine Lösungsleitlinie ist f::, übungen, die den typischen Prüfungsaufgaben entsprechen. übungen, die das Verständnis ftir Begriffe, Zusammenhänge und Modell vorstell u ngen fördern. Zum Zwecke der Lernkontrolle befindet sich zu allen Aufgaben ein vollständiger Lösungsweg im Anhang des Buches. Suchen Sie noch andere Lösungswege. Der Wert der übungen steigt mit der Anzahl der erreichten Lösungsmöglichkeiten. An den Kapitelenden ist ein Memory angeordnet Es enthält das von Ihnen geforderte Grundwissen.

8 IX Inhaltsverzeichnis Arbeitshinweise zu diesem Buch VII Schreibweise von Formelzeichen... XIV 1 Widerstandsverhalten von Halbleitern Stromleitungsmechanismus Widerstandsverhalten der Heißleiter Widerstandsverhalten der Sperrschichten Spannungssteuerung einer Sperrschicht Lichtsteuerung einer Sperrschicht Widerstandsverhalten von Halbleiter-Kanälen Vertiefung und übung Halbleiterdiode als nichtlinearer Widerstand Halbleiterdiode Arbeiten mit Kennlinien Begrenzerschaltungen mit Dioden Vertiefung und übung Spannungsstabilisierung Prinzip der Spannungsstabil isierung Z-Diode Analyse der Stabilisierungs-Grundschaltung Vertiefung und übung Stromstabilisierung Prinzip der Konstantstromquelle F eldeffekttransistor J FET Analyse der Stromquellenschaltung Vertiefung und übung Signalverstärkung mit Transistoren Elektrische Signale Verstärkungsprinzip Transistor als Verstärkerelement Schichtenaufbau,. Bezeichnungen Transistoreffekt Zählpfeile Verstärkung Ausgangskennlinienfeld

9 x Inhaltsverzeichnis 5.4 Stromsteuerung des Transistors... " Spannungssteuerung des Transistors... " überlagerung, Signalankopplung... " Arbeitswiderstand und Spannungsverstärkung Signalauskopplung, belastete Verstärkerstufe Arbeitspunktstabil isierung Vertiefung und übung... " 69 6 Operationsverstärker und Beeinflussung der Verstärkereigenschaften durch Gegenkopplung Operationsverstärker als integrierter Verstärker Stromversorgung und Arbeitspunkteinstellung Signal-Ersatzschaltung Prinzip der Gegenkopplung... " Nichtinvertierender Verstärker Invertierender Verstärker Spannungsausgang, Stromausgang Spannungseingang, Stromeingang Frequenzgang Nichtlineare Verzerrungen... " Vertiefung und übung Analoge Signalverarbeitung mit Operationsverstärker.... " Addieren Subtrahieren... " Integrieren Mittelwertbilden Multiplizieren Anschlußbelegung eines Multiplizierers Einstellen der Verstärkung Abgleich des Nullpunktes... " Vertiefung und übung Transistoren und Operationsverstärker als Schalter Widerstandsverhalten und Aufgaben der Schalter Binärinverter TTL.... ". '" CMOS... ; Interface-Schaltungen Analogschalter Schwellwertschalter Komparator Schmitt-Trigger Leistungsschalter Vertiefung und übung

10 Inhaltsverzeichnis XI 9 Schwingungserzeugung Mitkopplung Ungedämpfte Schwingung Gedämpfte Schwingung Entdämpfte Schwingung Anschwingung und stationäre Schwingung LC-Oszillator Arbeitspunkt Oszillogramme Phasenbedingung Amplitudenbedingung Anschwingen und stationäre Schwingung RC-Oszillator Rechteckgeneratoren Funktionsgenerator Spannungsgesteuerte Oszillatoren VCO Phase-Locked-Loop PLL Spannungsgesteuerter Oszillator VCO Phasendetektor Tiefpaß Vertiefung und übung Gleichrichtung Mischspannung Gleichrichterschaltungen im Leerlaufbetrieb Mittelpunktschaltungen M1, M2, M Brückenschaltungen B2, B Spannungsglättung Stromglättung Berechnungsgrundlagen für Leistungsgleichrichter mit Stromglättung Sekundärspannung Sekundärstrom Primärstrom Typenleistung des Transformators Vertiefung und übung Leistungssteuerung mit Thyristoren Thyristor als steuerbarer Schalter Steuersatz Thermische Eigenschaften von Thyristoren Triac als bidirektionaler Thyristor Thyristor/Triac als phasenanschnittsgesteuerter Wechselstromsteller Thyristor jtriac als periodengruppengesteuerter Wechselstromschalter Thyristor als gesteuerter Gleichrichter Rein ohmsche Last

11 XII Inhaltsverzeichnis - Rein ohmsche Last mit Gegenspannung Ohmsch-induktive Last Induktive Last mit Gegenspannung Thyristor als Gleichstromsteller..., Vertiefung und übung..., Stabilisierte Stromversorgung Kenngrößen einer Stabilisierungsschaltung Serienstabilisierung mit Emitterfolger... ~ Spannungsregler mit Operationsverstärker Integrierte Spannungsregler Schaltregler Vertiefung und übung Grundlagen der Digitaltechnik Logische Grundverknüpfungen UND-Verknüpfung ODE R-Verknüpfung..., NAND-Verknüpfung NOR-Verknüpfung Entwurf einer logischen Verknüpfung..., Vereinfachen einer redundanten logischen Verknüpfung Schaltungsumwandlung Zeiten bilden Analogzeitbildung mit monostabiler Kippstufe Zeitglieder: Verkürzen, Verlängern, Verzögern und Ausblenden von Signalen Integrierte monostabile Kippschaltungen..., Speichern Speichern einer Information RS-Flipflop D-Flipflop..., 261 Flankengetriggertes J K-FI ipflop J K-Master-Slave-FI ipflop..., Zählen Kodierung des Zählerausgangs: Dual, BCD Asynchrone und synchrone Zählimpulsverarbeitung Kaskadierung von Zählern: Asynchroner und synchroner übertrag Zählrichtungsumkehr Programmieren eines Zählers Beispiele für Zähleranwendungen: Vorzeichenrichtiges Zählen von Mengendifferenzen Programmsteuerung mit Wortspeicher Vertiefung und übung

12 Inhaltsverzeichnis XIII 14 DA- und AD-Umsetzung Prinzipien der DA-Umsetzung Beschaltung und Abgleich eines DA-Umsetzers Datenblattangaben eines DA-Umsetzers Prinzipien der AD-Umsetzung Sukzessive Approximation Dual-Slope-Verfahren Beschaltung und Abgleich von AD-Umsetzern Datenblattangaben eines AD-Umsetzers Vertiefung und übung Lösungen der übungen Sachwortverzeichnis

13 XIV Schreibweise von Formelzeichen Spannungen und Ströme Für die Formelzeichen werden große und kleine Buchstaben verwendet. Kleine Buchstaben fur Augenblickswerte zeitlich veränderlicher Größen. Beispiele: U = Momentanwert einer Wechselspannung U = Scheitelwert einer Wechselspannung Große Buchstaben für zeitlich konstante Größen Beispiele: U = Gleichspannung, Effektivwert einer Wechselspannung fl = Komplexe Spannung fl = Ue±i'P Die Formelbuchstaben werden durch Indizes ergänzt, wenn nähere Unterscheidungen erforderlich sind. Für Indizes werden ebenfalls große und kleine Buchstaben oder Ziffern verwendet Kleine Buchstaben für Wechselgrößen. Beispiele: Ube = Scheitelwert einer asis-!;mitter-wechselspannung Urms = Effektivwert ([9ot [!Iean ~ q u a eines r e ) Wechselspannungsanteils einer Mischspannung - Große Buchstaben für Gleichgrößen oder Gesamtwerte und Mittelwerte von Misch größen (von der Nullinie an gezählt). Beispiele: U AB = Gleichspannung gemessen von Punkt A gegen Punkt B, Potentialdifferenz U AB = 'PA - 'PB UBE = Momentanwert einer ~ a s i s - ~ m i t t e r - bestehend M i s c h aus s p a n n u n einem Gleichspannungsanteil UBE und einem Wechselspannungsanteil ube URMS = Effektivwert ([9ot I T I e a n ~ einer q u amischspannung r e ) = Arithmetischer Mittelwert (average) einer Mischspannung U AV Abweichend von den genannten Regeln werden einige Formelzeichen wie allgemein üblich verwendet - Ausnahmen: Uq = Quellenspannung einer Ersatzspannungsquelle (Gleich- oder E ffe ktivwert) Udi = Ideelle Leerlaufgleichspannung einer Gleichrichterschaltung (arithmetischer Mittelwert) Ueff = Effektivwert, allgemein

14 Schreibweise von Formelzeichen Widerstände xv Die Kennzeichnung der verschiedenen Widerstandsarten geschieht durch besondere Formelzeichen Beispiele: R = Ohmscher Widerstand mit der Eigenschaft R = ~ = konst, verursacht I keine Phasenverschiebung bei Wechselgrößen. Praktisch vorliegend als Bauelement mit Farbring-Kennzeichnung zur Wertangabe. Oder auch Wirkwiderstand R = t, leff aus dem Wirkleistungsumsatz eines Verbrauchers errechneter Widerstandswert. X = Frequenzabhängiger Blindwiderstand des Kondensators Xc = ~ ' c Z der Spule XL = wl Komplexer Widerstand in Normalform l. = R ± jx nennt Wirk- und Blindwiderstandsanteile, in Exponentialform l. = Ze±jo,o nennt Widerstandsbetrag und Phasenverschiebungswinkel, Umrechnungsbeziehungen: Z =..JR2 + X2 X..p = arc tan ± R e±jo,o = cos..p ± j sin..p durch Kleinschreibung der Formelbuchstaben bei differentiellen Widerständen Beispiel: rz = Differentieller Widerstand einer Z-Diode!:J.Vz rz =!:J./z ' maßgebende Widerstandsgröße bei der Berechnung von Stromänderungen. Differentielle Widerstände treten regelmäßig auf bei Bauelementen mit nichtlinearer (geknickter) V-I-Kennlinie zur Beschreibung des Steilverlaufs der Kennlinie nach dem Kennlinienknick.